Wetenschap
Neutronensterren zouden primordiale zwarte gaten kunnen vangen
De Melkweg heeft een ontbrekend pulsarprobleem in de kern. Astronomen proberen dit al jaren te verklaren. Een van de interessantere ideeën komt van een team van astronomen in Europa en beroept zich op donkere materie, neutronensterren en oorspronkelijke zwarte gaten (PBH's).
Astronoom Roberto Caiozzo, van de International School for Advanced Studies in Triëst, Italië, leidde een groep die het ontbrekende pulsarprobleem onderzocht. "We nemen geen enkele soort pulsars waar in dit binnengebied (behalve de magnetar PSR J1745-2900)", schreef hij in een e-mail.
"Er werd gedacht dat dit te wijten was aan technische beperkingen, maar de observatie van de magnetar lijkt anders te suggereren." Die magnetar draait rond Sagittarius A*, het zwarte gat in de kern van de Melkweg.
Het team onderzocht andere mogelijke redenen waarom pulsars niet in de kern verschijnen en keek nauwkeurig naar de vorming van magnetar en verstoringen van neutronensterren. Eén intrigerend idee dat ze onderzochten was de kannibalisatie van oorspronkelijke zwarte gaten door neutronensterren.
Het team onderzocht het probleem van de ontbrekende pulsar door de vraag te stellen:kan het kannibalisme van een neutronenster en een primordiaal zwart gat het gebrek aan gedetecteerde millisecondepulsars in de kern van de Melkweg verklaren? Laten we eens kijken naar de belangrijkste spelers in dit mysterie om te begrijpen of dit zou kunnen gebeuren.
Neutronensterren, pulsars en kleine zwarte gaten, oh my
Theorie suggereert dat primordiale zwarte gaten ontstonden in de eerste seconden na de oerknal. ‘Het bestaan van PBH’s is niet bekend,’ benadrukt Caiozzo, ‘maar ze lijken een aantal belangrijke astrofysische verschijnselen te verklaren.’ Hij wees op het idee dat er al heel vroeg in het heelal superzware zwarte gaten leken te bestaan en suggereerde dat zij de kiem voor deze monsters zouden kunnen zijn geweest.
Als er PHB's bestaan, zou de aanstaande Nancy Grace Roman Telescope kunnen helpen ze te vinden. Astronomen voorspellen dat ze in een reeks massa's kunnen voorkomen, variërend van de massa van een speld tot ongeveer 100.000 massa van de zon. Er zou een tussenliggend bereik van hen in het midden kunnen zijn, de zogenaamde "asteroïde-massa" PBH's. Astronomen suggereren dat deze laatste kandidaten donkere materie zijn.
Donkere materie maakt ongeveer 27% van het universum uit, maar afgezien van de suggestie dat PBH deel zou kunnen uitmaken van de donkere materie-inhoud, weten astronomen nog steeds niet precies wat het is. Het lijkt erop dat er een grote hoeveelheid ervan in de kern van onze Melkweg zit. Het is echter niet direct waargenomen, dus de aanwezigheid ervan wordt afgeleid. Zit het vast in die middenklasse PBH's? Niemand weet het.
De derde speler in dit ontbrekende pulsar-mysterie zijn neutronensterren. Het zijn enorme, trillende neutronenballen die overblijven na de dood van een superreuzenster met een massa tussen de 10 en 25 zonsmassa. Neutronensterren beginnen erg heet (in het bereik van 10 miljoen K) en koelen na verloop van tijd af.
Ze beginnen heel snel te draaien en genereren magnetische velden. Sommige zenden stralingsbundels uit (meestal in radiofrequenties) en terwijl ze ronddraaien, verschijnen die stralen als "emissiepulsen". Dat leverde hen de bijnaam ‘pulsar’ op. Neutronensterren met extreem krachtige magnetische velden worden 'magnetars' genoemd.
Het ontbrekende pulsarprobleem
Astronomen hebben zonder veel succes in de kern van de Melkweg naar pulsars gezocht. Onderzoek na onderzoek heeft geen radiopulsars gedetecteerd binnen de binnenste 25 parsecs van de kern van het sterrenstelsel. Waarom is dat? Caizzo en zijn co-auteurs stelden dit voor in hun artikel, geplaatst op de arXiv preprint server, dat magnetarvorming en andere verstoringen van neutronensterren die de pulsarvorming beïnvloeden, niet precies de afwezigheid van deze objecten in de kern van de galactische kern verklaren.
"Efficiënte magnetarvorming zou dit kunnen verklaren (vanwege hun kortere levensduur), maar er is geen theoretische reden om dit te verwachten. Een andere mogelijkheid is dat de pulsars op de een of andere manier op andere manieren worden verstoord."
Normaal gesproken vindt er verstoring plaats in dubbelstersystemen waarbij de ene ster zwaarder is dan de andere en explodeert als een supernova. De andere ster kan wel of niet ontploffen. Iets kan het helemaal uit het systeem schoppen. De overlevende neutronenster wordt een ‘ontwrichte’ pulsar. Ze zijn niet zo gemakkelijk waar te nemen, wat het gebrek aan radiodetectie zou kunnen verklaren.
Als de begeleider er niet uit wordt geschopt en later opzwelt, wordt zijn materie weggezogen door de neutronenster. Dat laat de neutronenster draaien en beïnvloedt het magnetische veld. Als de tweede ster in het systeem blijft, explodeert deze later en wordt een neutronenster. Het resultaat is een binaire neutronenster. Deze verstoring kan helpen verklaren waarom de galactische kern verstoken lijkt te zijn van pulsars.
Het gebruik van oorspronkelijke zwarte gaten om ontbrekende pulsars te verklaren
Het team van Caizzo besloot tweedimensionale modellen van millisecondepulsars (dat wil zeggen pulsars die extreem snel ronddraaien) te gebruiken als een manier om de mogelijkheid van het vangen van een primordiaal zwart gat in de kern van het sterrenstelsel te onderzoeken.
Het proces werkt als volgt:een millisecondepulsar heeft op de een of andere manier interactie met een primordiaal zwart gat dat minder dan één stellaire massa heeft. Uiteindelijk vangt de neutronenster (die voldoende sterke zwaartekracht heeft om de PBH aan te trekken) het zwarte gat in. Zodra dat gebeurt, zinkt de PBH naar de kern van de neutronenster. Binnenin de kern begint het zwarte gat materie van de neutronenster op te zuigen.
Uiteindelijk blijft er alleen een zwart gat over met ongeveer dezelfde massa als de oorspronkelijke neutronenster. Als dit gebeurt, zou dat het gebrek aan pulsars in de binnenste parsecs van de Melkweg kunnen helpen verklaren.
Zou dit kunnen gebeuren? Het team onderzocht de mogelijke vangstsnelheden van PBH’s door neutronensterren. Ze berekenden ook de waarschijnlijkheid dat een bepaalde neutronenster zou instorten en beoordeelden de snelheid waarmee pulsars in de kern van de galactische kern zouden ontwrichten. Als niet alle verstoorde pulsars deel uitmaken of deel uitmaken van binaire systemen, blijft de vangst van PBH's door neutronensterren over als een andere manier om het gebrek aan pulsars in de kern te verklaren. Maar gebeurt dit ook in werkelijkheid?
De ontbrekende pulsarspanning gaat door
Het blijkt dat dergelijk kannibalisme het ontbrekende pulsarprobleem niet kan verklaren, aldus Caizzo. "We ontdekten dat PBH's in ons huidige model deze objecten niet kunnen verstoren, maar dit houdt alleen rekening met ons vereenvoudigde model van twee lichaamsinteracties", zei hij. Het sluit het bestaan van PHB's niet uit, alleen dat in specifieke gevallen dergelijke vangsten niet plaatsvinden.
Wat valt er nog te onderzoeken? Als er PHB's in de kernen zitten en deze samensmelten, heeft niemand ze nog gezien. Maar het centrum van de Melkweg is een drukke plaats. Een heleboel lichamen verdringen zich in de centrale parsecs. Je moet de effecten berekenen van al die objecten die in zo'n kleine ruimte op elkaar inwerken. Dat probleem van de 'veel-lichamendynamiek' moet rekening houden met andere interacties, evenals met de dynamiek en de opname van PBH's.
Astronomen die de samensmelting van PBH-neutronensterren willen gebruiken om het gebrek aan pulsarwaarnemingen in de kern van de Melkweg te verklaren, zullen zowel de voorgestelde waarnemingen als de grotere populaties pulsars beter moeten begrijpen.
Het team suggereert dat toekomstige observaties van oude neutronensterren dichtbij Sgr A* zeer nuttig zouden kunnen zijn. Ze zouden helpen strengere grenzen te stellen aan het aantal PBH's in de kern. Bovendien zou het nuttig zijn om een idee te krijgen van de massa's van deze PBH's, omdat die aan de onderkant (types met asteroïde-massa's) heel anders op elkaar zouden kunnen reageren.